İzotropik ve kompozit plaklarda mikro çatlak toklaşmasının peridinamik teorisiyle incelenmesi

Abstract

Mühendislikte yaygın olarak kullanılan beton, kompozit, seramik gibi malzemeler aşınma direnci, oksidasyon direnci, yüksek ısı direnci ile birlikte rijit ve gevrek bir yapıya sahiptirler. Sayılan üstünlüklerinin yanında gevrek karakteristikleri bu malzemeleri ani çatlak oluşumlarına karşı savunmasız bırakmaktadır. Gevrek yapılardaki bu tür ani hasar oluşumuna karşı direncin (tokluğun) yapı içerisinde mikro çatlak mevcudiyeti ile arttığı bilinen bir gerçektir. Ama böylesine kompleks çoklu mikro süreksizlikleri (çatlakları) modellemede mevcut klasik metotlar yetersiz kalmakta veya sınırlı çözümler sunmaktadır. Yakın geçmişte ortaya konan Peridinamik Teorisi ile bu tür süreksizliklerin dinamik kırılma modellemeleri sorunsuz şekilde gerçekleştirilebilmektedir. Tez çalışması kapsamında Peridinamik Teorisi kullanılarak gevrek yapıdaki izotropik ve kompozit malzemelerin tokluk artırımının geliştirilmesinde mikro çatlak dağılımlarının etkisi incelenmiştir. İlk olarak izotropik bir plakta mevcut ana çatlak ucu ve doğrultusu civarına konumlandırılan çoklu mikro çatlak uygulaması ile ana çatlağın doğrultusundan sapması ve yeni dallanmalar oluşturması üzerine etkisi incelenmiştir. Mikro çatlakların sağladığı tokluk artırım etkisini daha iyi anlayabilmek için doğrusal veya eğrisel formda konumlanmış mikro çatlak kümelerine sahip çeşitli durumlar modellenmiştir. Sonuçlar arasında ana çatlak ucunu eğrisel olarak çevreleyen mikro çatlak konumlandırmasının tokluk artırımında en etkin form olduğu görülmüştür. Ardından tek doğrultulu kompozit tabakalarda üç farklı fiber yönelimi (0°, 45°, 90°) için çeşitli mikro çatlak konumlandırmaları tasarlanarak tokluk artırım modelleri oluşturulmuştur. Mikro çatlak modellerinin tokluk artırımına etkileri, ana çatlak ilerleme hızı ve çatlak ucu birim şekil değiştirme enerji yoğunluğu üzerinden kapsamlı karşılaştırmalar yapılarak analiz edilmiştir. Ana çatlak hattı etrafında yaygın konumlandırmaların etkin olduğu tespit edilmiştir.

Materials widely used in engineering such as concrete, composite and ceramic have a rigid and brittle structure with wear resistance, oxidation resistance, high heat resistance. Besides these advantages, their brittle characteristics make these materials vulnerable to sudden crack formation. By the presence of micro cracks in a brittle structure, the toughness enhancement that occurs against sudden damage formation is a known fact. However, existing classical methods are insufficient or offer limited solutions in modeling such complex multiple micro discontinuities (cracks). Dynamic fracture modeling of such discontinuities included structures can be performed without any challenge by the Peridynamic Theory, which has been put forward in the recent past. Within the scope of the thesis, the effect of micro crack distributions on the toughness enhancement of brittle isotropic and composite materials by utilizing Peridynamic Theory was investigated. Firstly, the effect of multiple micro crack positioning around the tip and direction of the existing main crack in an isotropic plate on the deviation from its direction and the formation of new branches was investigated. To better understand the toughness enhancement effect provided by micro cracks, various cases included micro crack clusters placed in the linear or curvilinear form are modeled. Among the results, it was observed that micro crack positioning curvilinearly surrounding the main crack tip is an effective form in toughness enhancement. Subsequently, various micro crack positionings were applied in unidirectional composite laminae for three different fiber orientations (0°, 45°, 90°), and toughness enhancement effects were examined. The effects of micro crack patterns on the toughness enhancement were investigated by making extensive comparisons over the main crack propagation rate and the strain energy density of the main crack tip. Extensive micro crack positioning along the main crack path has been found to be an effective strategy.